关于北京交通信号控制系统的分析及展望

1交通信号控制系统交通信号控制系统是城市道路交通管理系统中对交叉路口、行人过街以及环路出入口采用信号控制的系统，是运用了交通工程学、心理学、应用数学、自动控制与信息网络技术以及系统工程等多门学科理论的应用系统。现代的交通信号控制是通过从经验到理论，从单点到系统，从静态到动态发展起来。现代的交通信号控制是经验与理论，点控制、线控制与面控制，静态与动态相互结合的控制模式。交通信号控制系统的基本原理是在每个交叉口设置红绿灯信号控制参数，使其信号控制对本交叉口所有方向的交通流在交叉口的停顿延误时间为最小；在多个交叉口信号联锁绿波控制时，寻求满足以上条件的同时还保证双向绿波带的形成，并且绿波带宽达到最宽，从而使城市交通得到最优控制，使交通通行质量达到最优。2交通信号控制系统发展现状自1868年英国伦敦首次使用煤气信号灯以来，道路交通信号控制经历了百余年的发展。英国、澳大利亚、美国、意大利和德国等西方发达国家投入大量的人力、物力研究交通信号控制系统，取得了一系列成果。目前，国外比较成功的交通系统有：TRANSYT、SCOOT、SCATS、OPAC、RHODES、ACTRA、ITACA等等。国内交通信号控制系统起步较晚，20世纪70年代北京市采用DJS一13O型计算机对干道协调控制进行了研究；20世纪80年代以来国家一方面采取引进与开发相结合的方针，先后建立了一些城市道路交通控制系统；另一方面投入力量研发城市交通信号控制技术，开发适应我国以混合交通为主要特点的智能交通控制系统。其中比较成功的有南京城市交通控制系统、海信HiCon交通信号控制系统、以及深圳市SMOOTH交通信号控制系统。下面以列表的方式将典型的交通控控制系统加以介绍和比较。表1.交通控制系统比较主流信号系统国别或开发公司系统特点及优势系统不足TRANSYT英国交通与道路研究所TRANSYT系统是一种脱机操作的定时控制系统，将交通流信息和初始配时参数作为原始数据，通过仿真，得出系统的性能指标作为配时的优化目标函数，用“爬山法”进行优化，产生比初始配时更优越的新配时方案，再把新的信号配时输入到仿真部分，反复叠代，最后得到性能指标值达到最小的系统配时方案。1、计算量太大，路网较大时问题则更加突出；2、是脱机优化要求花费大量人力物力预先采集路网信息和交通流信息，同时也不能适应交通状况的实时变化；3、瞎子爬山法有可能使无法获得真正的全局最优解SCATS澳大利亚新南威尔士道路交通局把信号周期、绿信比和相位差作为各自独立的参数分别进行优选，优选过程所使用的“算法”以饱和度和综合流量为主要依据。它的优化过程并没有利用数学模型，而是在各种预定的方案中进行优选,方法简单1、作为一种方案选择系统，没有使用交通流模型，限制了配时方案的优化程度；2、是检测器安装在停车线处，难以监测车队的行进，没有车流实时信息反馈，这使得相位差优选可靠性较关于北京交通信号控制系统的分析及展望摘要:城市交通信号控制系统控制着城市经济活动的命脉，其效率高低直接影响着社会经济的发展，因而备受社会各界关注。本文首先简单回顾了城市交通信号控制系统的发展过程，从控制模型、优化算法等方面分析和讨论了现有的交通信号控制系统，并指出了它们的特点和不足；然后从北京市交通现状入手，提出了北京交通信号控制系统的改进方案，最后对北京信号控制系统的发展方向进行了展望。关键词:交通信号控制系统,北京市,发展趋势差；3、系统只能实施在PDP系列数字计算机上，限制了推广应用。SCOOTTRL公司、PEEK公司、西门子公司通过检测器定时采集和分析交通信息，交通模型和优化程序配合生成最佳配时方案，最后送入路口信号机予以实施；其优化程序采用小步长渐近寻优方法，连续实时地调整绿信比、周期和时差三个参数，降低了计算量，且也很容易跟踪和把握当前的交通趋势；系统检测器信息的敏感度低，所以优化器的个别错误不会导致整体的关键错误。1、采用集中式控制结构，难以实现较大区域的控制；2、建立交通模型需要采集大量路网信息和交通流信息，耗时费力；3、绿信比优化依赖于对饱和度的估算和小步长的变化幅度，有可能不足以及时响应每个周期的交通要求；4、信号相位和相序事先同定，不能参与自动变化；5、控制子区的自动划分问题尚未解决；RHODES由美国亚利桑那大学RHODES以相位可控化、有效绿波带、和预测算法为核心技术。；采用非参数化控制模型来完全适应实时交通信号控制，用相序和相位长度来确定配时方案1、没有建模解决公交车上下客对其他交通流及其本身造成的延误；2、是系统高层优化有待于进一步研究OPAC美国PBFarradyne公司和马萨诸塞大学引人了有效定周期(VirtualFixedCycle，VFC)的概念；它是一个真正的分布式系统，中心计算机只完成VFC优化，路口机完成车队预测、相位优化以及排队长度、停车次数和延误等参数状态的检测和估计；采用了动态规划、自校正、自调整算法等先进的优化方法和控制技术。1、通信速率较低，只有9600bps，对等通信只能30s完成一次，一定程度上影响了实时性；2、是控制算法复杂，对调试人员要求较高。SPOT/UTOPIA意大利MizarAutomazione公司SPOT是一个小型的分布式交通控制系统，在每个交通控制器上使用微观模型完成本地最优化工作UTOPIA是一个面控软件，可协调组织多个SPOT系统(作为子区)以组成区域控制系统；系统引入权重概念以实现其在公交优先功能中的特殊控制目标。该系统更适合公共交通发达的交通情况，在公共交通一般或者不发达的情况下信号控制策略则需要进一步加强ACTRA由美国西门子公司1、技术先进和性能可靠，适合大、中型城市；2、强大的系统扩展能力；3、分布式系统；4、基于于PC的系统，操作使用方便简洁，界面良好；5、自适应协调控制功能，反应迅速、实用；6、地优化和中心优化相结合的远程监控。与其他系统的兼容性仍需加强3北京交通信号系统现状至2010年末，北京市机动车拥有量为480.9万辆，比2009年末增长19.7%。更有人戏称首都北京为“首堵”，可见现有的交通环境已不能满足人们的需求，交通信号系统中存在的问题不可小觑。北京目前采用的是第二代信号控制系统(SCOOT)与美国西门子的第三代信号控制系统(ACTRA)相结合的控制方式。北京市交通管理局于20世纪80年代开始使用西门子公司的SCOOT系统。此后，根据实际发展需要，北京市公安局公安交通管理局先后购买了quicNet4系统、BBS系统、ZTACA系统作为试验系统。但是，北京市在交通信号控制系统上仍存在很多问题。例如：交通状况复杂，道路网布局不尽合理，交通组织困难：全市路网处于不稳定状态；路口转向流量大，交通流不连续；机——非混合交通严重；信号控制系统的功能有待进一步提高；全市存在大量单点路口信号机；快速路出入口(匝道)信号控制系统建设不够；交通信号控制系统采集的信息量不够等。为了更好的发挥系统控制效益、最大程度缓解北京日益严峻的拥堵问题，北京市于2004年对SCOOT系统控制的二环路以内的地区进行了全面的调整工作，并于2004年6月采购了新一代交通信号控制系统ACTRA。城区内除了二环以内的近350处路口受SCO0T系统控制外，二环至四环以内地区均安装使用了ACTRA系统。北京市交管局交通信号控制系统1期工程中，ACTRA系统已经将300台符合NTCIP规范的西门子2070CBD交通信号控制器纳入系统控制，该系统控制着海淀区300多个路口。在交通信号控制系统2期上端扩容项目中，正在将450台交通信号控制器纳入1期ACTRA系统控制，以发挥系统控制的效益，同时为保证系统的安全性，减少系统瘫痪和数据的丢失对交通信号控制所造成的影响，对系统上端信息进行了安全性备份。经调查，ACTRA将纳入北京交通信号控制的中心并与计算机联网，实现集中控制，集中管理，集中监测，以充分发挥系统控制功能。在交通高峰期间，通过系统与智能交通信号机的优化，以路口最大通行能力为目标。在交通平峰和低峰期间，通过区域协调、干线协调和感应控制等方式，优化路口配时方案，达到了减少停车次数，减少旅行时间的目的，取得了一定的效果。但是，不可否认，目前北京市的交通情况仍然非常严峻，交通信号控制系统仍需进一步改进和完善，下面我就根据自己的理解来谈谈北京交通信号控制系统的选用问题。4北京交通信号系统的选用4.1沿用北京现有的SCOOT及ACTRA系统并改进北京的交通信号系统已初具规模，若全盘否定现有系统，改用新的系统，造价较高，工程量过大，浪费资源。不如在原系统上改进利用。改进的方案可以从以下几个方面入手。首先，将北京二环以里主干道的交通信号系统及换为ACTRA系统。众所周知，北京道路交通网的主干道是由环线以及环线之间的连通线构成。车辆因需进出主干道，而主干道辅路的交通灯配时不合理，从而造成北京主干道辅路极易拥堵。而辅路拥堵又会反过来导致城市主干道拥堵，我认为这是造成城市主干道拥堵的主要原因。故而由于ACTRA为分布式系统，兼容性好，可以实现本地和远程的双控制，并且控制效果好于SCOOT。因此，可以在二环以内的干线上，将SCOOT系统换为ACTRA系统，从而保证城市交通的主动脉的正常、高效运行。而不属于主干道的道路可以沿用以前的系统。其次，是对原有系统进行改进。对于SCOOT系统，可以采用优化系统算法、改善其通信方式等方法来提高系统的性能，使其能够适应北京复杂多变的交通环境。而对于ACTRA系统来说，也并非十全十美，如果能够对目前一些新的交通理念加以利用，也许ACTRA可以有更为出色的表现。比如当下比较流行的一个概念——交通诱导。交通诱导的优势在于不单单是被动的管理交通，而是主动的改善交通，即把人、车、路综合起来考虑，通过诱导道路使用者的出行行为来改善路面交通系统，防止交通阻塞的发生，减少车辆在道路上的逗留时间，并且最终实现交通流在路网中各个路段上的合理分配。如果，将交通流诱导系统与ACTRA系统在智能交通系统的框架下协同运作，相信可以达到一加一大于二的交通管理效果。具体做法如下：交通流诱导系统将适当的交通流分配到路网上，由ACTRA系统适应这些交通流，并形成相应的交通控制方案。ACTRA控制系统引入路线诱导后，车辆数据变为已知，使得路网交通流特性，特别是路网流量、流向的提前获得成为可能。这样ACTRA系统对控制区域的划分不但可依据交叉口实时交通流数据(车辆检测器提供)，而且可以依据路网预测的交通流数据，为交通控制子区的划分及其子区内信号配时参数的提前确定奠定了基础。使交通控制子区的划分符合实时交通流状况，确保诱导至控制区域交通特性相似的交通流得到协调控制。此外，还应在数据共用与处理、信息融合等方面，加强2个交通子系统协调运作的优势，并使交通控制中心在诱导的条件下实现交通控制子区的自动划分，以便于更有条理地管理纳入系统的所有路口，达到提高路网交通运行效益的目的。4.2在原有系统基础上增加新的系统无论从解决交通拥堵问题的角度、还是从保护环境的角度、抑或是从节约资源的角度，我们都应该大力发展公共交通，尽量降低私家车的增长速度。然而，现在北京公交车的发展却对北京交通产生了一定程度测负面影响，那就是公交车需要经常性的靠边停车，这就会出现不断的变更道路的情况，在一定程度上会影响交通的正常运行。对于这种情况，我们应该为公交车设立专门的车道，并且应该实行公交优先的策略，尤其是在一些车站相对集中的地方（例如中关村南、清河等车站）附近的交叉路口，可以采用有公交优先功能的信号系统如上面提到过的SPOT/UTOPIA。这个系统是在保证公交车不遇红灯的条件下，保证私家车的快速安全运行。我想，如果在北京安装该系统，不仅可以使公交优先的理念得以实现，应该还可以促进人们对于公交系统的重视与信心。当然，加入新的系统也会带来新的问题——兼容性问题。如何能够使这些系统在同一个平台上互不相斥，协同工作成为交通信号系统的的重点和难点。这其中的难题包括通信问题、操作系统不一致等问题，需要相关工作人员一一解决。5小结众所周知，交通信号系统是智能交通系统的一个重要